特斯拉在3月初的投資者日上宣布，下一代平臺(tái)將減少75%的碳化硅用量，這個(gè)消息立即在碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)中引起了震動(dòng)，讓許多公司的股價(jià)迅速下跌。除了全球襯底領(lǐng)頭企業(yè)Wolfspeed當(dāng)天股價(jià)下跌7%，特斯拉的主要碳化硅MOSFET供應(yīng)商ST股價(jià)下跌了8%以上，國(guó)內(nèi)襯底廠商天岳先進(jìn)和東尼電子的股價(jià)更是一早開盤即跌停。這表明特斯拉的決定對(duì)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈都產(chǎn)生了很大的沖擊。
雖然特斯拉在投資者日上并未詳細(xì)解釋他們的解決方案，但是這條消息在業(yè)界已經(jīng)傳播了兩周之久。業(yè)界已經(jīng)就特斯拉減少碳化硅用量的方案展開了許多討論，下文將對(duì)目前業(yè)界的猜測(cè)做一個(gè)匯總。
不過，我們比較關(guān)注的是特斯拉的舉措是否真的會(huì)對(duì)近年來產(chǎn)能擴(kuò)張、投入巨大的碳化硅上下游產(chǎn)業(yè)鏈帶來負(fù)面影響。特別是在下游汽車廠商需求的變化下，特斯拉的決定是否會(huì)首先影響到中游芯片設(shè)計(jì)或功率模塊制造商。
針對(duì)特斯拉在下一代平臺(tái)車型中降低碳化硅用量的方案，業(yè)界有不同的猜測(cè)。安徽芯塔電子市場(chǎng)經(jīng)理周駿峰認(rèn)為，特斯拉宣布減少碳化硅用量的消息引起了市場(chǎng)的過度敏感，但從目前各類終端市場(chǎng)的反饋來看，碳化硅市場(chǎng)近幾年依然將保持供不應(yīng)求的趨勢(shì)，尤其是新能源汽車產(chǎn)業(yè)的需求將呈現(xiàn)“井噴”式增長(zhǎng)，所以該產(chǎn)業(yè)鏈的熱度并不會(huì)降低。根據(jù)特斯拉公布的有關(guān)Model 3的信息，他推測(cè)特斯拉下一代車型可能會(huì)從目前的400V母線電壓架構(gòu)轉(zhuǎn)向800V。
采用800V架構(gòu)后，由于母線電壓翻了一倍，相同的電機(jī)功率下，流過碳化硅MOSFET的電流減半，從而導(dǎo)致碳化硅MOSFET管芯面積縮小。管芯面積縮小后，單片晶圓出芯率會(huì)更高，因此使用碳化硅的成本也會(huì)降低。換言之，采用800V架構(gòu)后，單車使用的碳化硅晶圓數(shù)量將減少，單片6寸晶圓可供更多車輛使用，這與特斯拉宣布減少碳化硅用量的計(jì)劃相符。
除此之外，業(yè)界還有其他幾種猜測(cè)。例如，特斯拉可能采用新的半導(dǎo)體材料來代替碳化硅，比如碳化鎵、氮化鎵等，這些材料比碳化硅更為優(yōu)秀。還有一種猜測(cè)是，特斯拉可能會(huì)使用其他材料，比如硅和硅鍺等，這些材料在成本和性能方面都優(yōu)于碳化硅。無論采用何種方案，特斯拉都將繼續(xù)引領(lǐng)行業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展。
周駿峰還提到了另外兩種特斯拉減少碳化硅用量的猜測(cè)。首先，特斯拉的供應(yīng)商可能會(huì)對(duì)器件封裝技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，以使熱阻更小、散熱性能更好，并且器件和模塊可以在更高的結(jié)溫下工作。其次，特斯拉也可能對(duì)電機(jī)進(jìn)行革新，改進(jìn)升級(jí)電驅(qū)系統(tǒng)，這也可能使對(duì)功率器件的需求量減少。
除了上述三種可能之外，業(yè)界目前還有兩種猜想。其中最有可能的是采用SiC MOSFET和IGBT混合模塊。在這種方案中，大概會(huì)使用兩顆配套六顆IGBT封裝混合模塊，這種模式符合“降低75%用量”的說法。在實(shí)際應(yīng)用中，IGBT載流能力更高，在大電流工況下有一定的優(yōu)勢(shì)。在功耗方面，SiC MOSFET先于硅基IGBT開通，后于IGBT關(guān)斷，而IGBT可以實(shí)現(xiàn)ZVS零電壓開關(guān)，因此可以大幅降低損耗。不過，由于SiC MOSFET和IGBT的工作頻率差異較大，驅(qū)動(dòng)電路方面混合模塊顯然會(huì)更加復(fù)雜，封裝難度也會(huì)更高。
另一種可能性是采用新一代的SiC MOSFET器件，例如ST的第三代SiC MOSFET。這種芯片的面積只有第二代的25%，從尺寸上符合“降低75%用量”的說法。新一代的SiC MOSFET器件具有更高的性能和更低的成本，因此在未來將成為電動(dòng)汽車行業(yè)的主流選擇之一。
特斯拉在投資者日上強(qiáng)調(diào)減少SiC用量的原因之一是價(jià)格較高，這也是投資者日上特斯拉著重介紹的各種降成本舉措之一。實(shí)際上，SiC對(duì)降低電動(dòng)汽車能耗具有實(shí)實(shí)在在的效果，特別是在800V高壓平臺(tái)中，SiC相比硅基IGBT的優(yōu)勢(shì)更加突出。因此，特斯拉并沒有說要完全放棄SiC，SiC晶體管仍然是一種關(guān)鍵器件。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，如果隨著工藝技術(shù)的精進(jìn)和產(chǎn)能的提升，SiC器件的成本下降，包括特斯拉在內(nèi)的所有新能源汽車廠商必定會(huì)進(jìn)一步增加對(duì)SiC的需求。
然而，SiC襯底的價(jià)格目前仍然居高不下，這是一個(gè)不可避免的問題。在芯片設(shè)計(jì)階段，為了降低成本，需要采取一些措施。例如，可以通過調(diào)整電路設(shè)計(jì)來減少SiC器件的數(shù)量，從而降低整體成本。此外，還可以采用一些新的封裝技術(shù)，以提高散熱性能和降低熱阻，從而進(jìn)一步降低成本。
總之，盡管SiC襯底的價(jià)格目前較高，SiC仍然是電動(dòng)汽車行業(yè)中最優(yōu)的驅(qū)動(dòng)器件之一，尤其在800V電氣架構(gòu)環(huán)境下。隨著工藝技術(shù)的進(jìn)步和產(chǎn)能的提升，SiC器件的成本將逐步下降，這將進(jìn)一步推動(dòng)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
SiC上游產(chǎn)能擴(kuò)張所面臨的挑戰(zhàn)
盡管特斯拉的“減碳”消息給碳化硅產(chǎn)業(yè)帶來了一定的沖擊，但上游SiC產(chǎn)能擴(kuò)張方面還面臨著更大的挑戰(zhàn)。雖然國(guó)內(nèi)的碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)在積極擴(kuò)產(chǎn)，但目前產(chǎn)能還未真正大規(guī)模釋放，這與海外巨頭還存在差距。因此，國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈需要通過合作與協(xié)同來提高競(jìng)爭(zhēng)力。
SiC襯底價(jià)格居高不下，限制了SiC器件的大規(guī)模應(yīng)用。SiC襯底在SiC器件成本中占據(jù)近50%的比重，上游襯底價(jià)格是影響器件價(jià)格的最重要因素。目前，SiC襯底供不應(yīng)求，價(jià)格居高不下，而襯底良率和產(chǎn)能等方面也會(huì)影響襯底價(jià)格。在短期內(nèi)，難以大幅降低成本，對(duì)于中游的芯片設(shè)計(jì)公司而言，如何從芯片設(shè)計(jì)層面上降低SiC芯片成本成為了一個(gè)值得探討的話題。
降低SiC芯片成本的方法
對(duì)于中游的芯片設(shè)計(jì)公司而言，從芯片設(shè)計(jì)層面上降低SiC芯片成本的方法，是在保證管芯效能的前提下，減少芯片尺寸，以減少晶圓邊緣浪費(fèi)率，提高出芯率。這可以有效減少SiC芯片制造中的浪費(fèi)和成本，降低SiC芯片的制造成本，提高SiC芯片的制造效率。
雖然目前SiC襯底價(jià)格較高，但隨著工藝技術(shù)的精進(jìn)和產(chǎn)能的提升，SiC器件成本有望進(jìn)一步降低。在800V電氣架構(gòu)環(huán)境下，相較于硅基器件，碳化硅依舊是電動(dòng)汽車主驅(qū)逆變器、OBC、暖通空調(diào)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)等應(yīng)用的最優(yōu)方案。因此，中游的芯片設(shè)計(jì)公司需要持續(xù)不斷地優(yōu)化SiC芯片設(shè)計(jì)，提高制造效率，為整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。
在芯片設(shè)計(jì)方面，為了降低SiC MOSFET的成本，可以采用兩種方法來減小芯片尺寸。首先，可以通過改變外延層的厚度和濃度來平衡擊穿電壓和導(dǎo)通電阻，以達(dá)到減小芯片尺寸的效果。其次，采用溝槽柵結(jié)構(gòu)也可以實(shí)現(xiàn)芯片尺寸的降低。理論上，溝槽柵SiC MOSFET的溝道遷移率更高，相比平面柵SiC MOSFET，具有更佳的電學(xué)特性，包括元胞密度高、導(dǎo)通損耗低、開關(guān)性能強(qiáng)等，可以進(jìn)一步降低器件成本。
目前，業(yè)內(nèi)廣泛認(rèn)為溝槽型結(jié)構(gòu)是提升SiC MOSFET性能的最有希望的結(jié)構(gòu)。作為國(guó)內(nèi)最早布局溝槽型SiC MOSFET專利技術(shù)企業(yè)之一，芯塔電子在未來優(yōu)化產(chǎn)品成本和提高設(shè)計(jì)工藝方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。通過芯片設(shè)計(jì)的改進(jìn)，可以在襯底供應(yīng)鏈不變的情況下，顯著提高SiC器件的產(chǎn)量。隨著襯底產(chǎn)能的擴(kuò)展，這兩個(gè)因素的促進(jìn)將加速SiC襯底價(jià)格的下降。
周駿峰認(rèn)為，SiC器件的未來發(fā)展趨勢(shì)是不可逆轉(zhuǎn)的，而市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)將會(huì)越來越激烈，SiC器件廠商需要不斷提高自身的技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量，以滿足不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。除此之外，他認(rèn)為行業(yè)內(nèi)部的合作與共贏也是非常重要的。只有通過產(chǎn)業(yè)鏈的深度協(xié)同和優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，才能實(shí)現(xiàn)SiC產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和優(yōu)秀企業(yè)的成長(zhǎng)。
同時(shí)，他也表示，作為連接器類型工程師，連接器是SiC器件中的一個(gè)非常重要的組成部分，其質(zhì)量和性能直接影響著整個(gè)器件的表現(xiàn)。因此，在使用SiC器件時(shí)，不僅需要選擇合適的芯片設(shè)計(jì)和工藝，還需要選擇合適的連接器類型和品牌，以確保整個(gè)系統(tǒng)的性能和可靠性。對(duì)于連接器廠商來說，他們也需要不斷提高自身的技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量，以適應(yīng)SiC器件市場(chǎng)的快速發(fā)展和不斷變化的需求。
